过程控制燃油加热炉Word格式.docx
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40
42
2.90
2.25
1.85
1.50
1.15
0.85
0.60
0.40
0.30
0.20
0.10
具体设计要求如下:
1.根据实验数据选择一定的辨识方法建立对象的模型;
2.根据辨识结果设计符合要求的控制系统(给出带控制点的控制流程图,控制系统原理图等,选择控制规律);
3.根据设计方案选择相应的控制仪表(DDZ-Ⅲ),绘制原理接线图;
4.对设计系统进行仿真设计,首先按对象特性法求出整定参数,然后按4:
1衰减曲线法整定运行参数。
5.★用MCGS进行组态设计。
二、被控对数学模型建模及对象特性分析
2.1对象数学模型的计算及仿真验证
根据矩形脉冲响应数据,得到阶跃响应数据,并进行相应的归一化处理,得:
表2
y
5.00
12.50
23.00
32.20
39.45
45.45
50.25
53.95
y*
0.019
0.076
0.189
0.348
0.488
0.597
0.688
0.761
0.817
56.85
59.10
60.95
62.45
63.60
64.45
65.05
65.45
65.75
65.95
66.05
0.861
0.895
0.923
0.945
0.963
0.976
0.985
0.991
0.995
0.998
1
则y(∞)=66.15。
ΔIr=3.2mA
K=y(∞)/ΔIr=21
Matlab画出曲线
%根据矩形脉冲响应求阶跃响应
clear;
t=0:
2:
42%时间向量
yi=[001.253.757.5010.509.207.256.004.803.702.902.251.851.501.150.850.600.400.300.200.10];
%脉冲响应输出序列
y
(1)=0;
y_1=0;
%初值
fork=1:
22%根据矩形脉冲响应值求阶跃响应输出值
y(k)=yi(k)+y_1;
y_1=y(k);
end
xs=(0:
0.1:
42);
ys=interp1(t,y,xs,'
spline'
);
%一维内插得到平滑曲线
plot(xs,ys)%绘制阶跃响应曲线
holdon
plot(t,yi)%绘制脉冲响应曲线
yim=interp1(t,yi,xs,'
plot(xs,yim)%绘制矩形脉冲响应曲线
grid
图1
归一化后数据曲线:
120:
2520;
yi=[000.0190.0760.1890.3480.4880.5970.6880.7610.8170.8610.8950.9230.9450.9630.9760.9850.9910.9950.9981];
2580);
plot(t,yi)
图2
=120s,从图中取y*(t1)=0.4,y*(t2)=0.8,得:
t1=525s,t2=1044s。
因为t1/t2=0.503>
0.46,故选择高阶传函且n=3
由nT=(t1+t2)/2.16得T=242s。
所以
。
仿真得:
图3
图4
变送器传函:
调节阀传函:
对象增益:
得广义对象传函:
根据广义对象画出输出曲线见图5,程序:
K0=1.344;
T0=242;
num=K0;
den=conv([242,1],conv([242,1],[242,1]));
G0=tf(num,den,’ioDelay’,120);
step(G0);
图5
=300s.
T=1100-300=800s.
2.2对象特性分析
是自衡的非振荡过程,
=120,T=242,具有较大的延迟和周期,
/T=0.5,对象易受干扰,采用复杂控制系统。
三、控制系统设计
3.1基本控制方案
(1)对象的T大、
较长,引入D调节,要求误差控制系统,故采用PID规律。
(2)串级控制
扰动分析:
燃料:
压力、流量、成分和热值等
原料:
进料量、进料温度
若炉内温度作为副被调量,拥有客服克燃料油影响,如温度、成分等,其所属扰动包含了较多扰动,即可能多的扰动可进入副回路。
串级控制系统中,由于引进了副回路,不仅能迅速克服作用于副回路内的干扰,也能加速克服主回路的干扰。
副回路具有先调、初调、快调的特点;
主回路具有后调、细调、慢调的特点,对副回路没有完全克服干扰的影响能彻底加以消除。
(3)在串级控制系统中,主、副调节器所起的作用不同。
主调节器起定值控制作用,副调节器起随动控制作用,这是选择调节器规律的基本出发点。
在加热炉温度串级控制系统中,我们选择原料油出口温度为主要被控参数,
原料油温度影响产品生产质量,工艺要求严格,又因为加热炉串级控制系统有较大容量滞后,所以,选择PID调节作为住调节器的调节规律。
(4)调节阀:
从安全考虑,选气开,Kv为正
副对象:
调节阀开,炉膛温度升高,Kp2为正
副调节器:
Kc2为正,即反作用调节器
主对象:
炉温升高,出口温度升高,Kp1为正
主调节器:
Kc1为正,即反作用调节器
Kc2为正,切主调时主调不改变作用方式
(5)控制流程图
图6
控制系统原理图
图7
3.2控制仪表选型
(1)温度变送器
MCT80X显示变送一体化温度变送器
山东淄博西创测控技术开发有限公司
MCT80X显示变送一体化温度变送器具有普通MCT一体化温度变送器的基本功能,它将温度传感元件(热电阻或热电偶)与信号转换放大单元有机集成在一起,除输出与温度成线性的4-20mA信号之外,同时具有现场指示或显示功能。
特点:
信号准确、可远传(最大1000米);
精度高、抗干扰、长期稳定性好、免维护;
变送器可以现场显示;
测量量程:
-200℃~1200℃;
常规精度:
±
0.25%工作原理:
温度传感器受温度影响产生电阻或电势效应,经转换产生一个差动电压信号。
此信号经放大器放大,再经电压、电流变换,送出与量程相对应的4-20mA电流信号。
技术指标:
项目
技术指标
热电阻测温范围
<
Pt100>
-200~450℃
Cu50>
-50~150℃
热电偶测温范围
K>
0℃-1200℃;
<
E>
0℃-800℃;
S>
0℃-1600℃
B>
0℃-1800℃
测量精度
热电阻>
±
0.25%;
0.5%;
热电偶>
0.75%
输出信号
温
漂
4-20mA
0.025%/℃
时
每年小于±
0.5%
环境温度
-10~85℃
供电电压
24V
DC
10%
负载能力
0-500
Ω图6
8显示范围
-1999~1999
防护等级
IP65
隔爆等级
dIIBT6
保护管材质
1Cr18Ni9Ti或陶瓷或钢玉管
使用与校准:
DC24V电源通过屏蔽电缆给变送器供电,“V+”接24VDC的正极,“V-”接负极,这两根线同时输出4-20mA标准信号,用来串接负载。
“Z”为零点调整电位器,“S”为满度调整电位器。
所有电位器在出厂以前按用户要求已经校好。
使用中,因线阻、环境温度等因素影响而产生误差时,只需微调零点电位器“Z”即可校正。
选用Pt100测温范围为0~250℃和200~450℃。
(2)调节器
广州鑫恒瑞自动化设备有限公司
CH402FK02-M*AN
设定范围
a)设定值(SV):
同等温度范围值
b)加热侧比例带(P):
1-量程或0.1-量程(温度输入)*1图9
c)制冷侧比例带(PC):
加热侧比例带1-1000%
d)积分时间(I):
1-3600sec*2
e)微分时间(D):
1-3600sec*3
f)限制积分动作生效范围(ARW):
比例带的1-100%*4
g)加热侧比例周期1-100sec*5
h)制冷侧比例周期1-100sec*6
*1、如果比例带设定为oC[﹡F]即成ON—OFF动作 *2、如果积分时间设定为0sec,即成PD动作 *3、如果微分时间设定为0sec,即成PI动作 *4、如果限制积分动作生效范围设定为0%,D动作则成OFF*5、电流输出时不需设定周期 *6、电流输出时不需设定周期 *7、如果不感带设定为负,则成重叠
控制动作
PID控制(ON—OFF.P.PI.PD控制)
报警种类:
偏差报警(上限,下限,上下限,范围内)
过程值输入报警(上限,下限)
设定值输入报警(上限,下限)
输入:
电流检出器输出
适用范围:
CTL-6-P-N 0-30A,CTL-12-S56-10L-N 0-100A
通断50000次以上。
控制环断线报警输出需在ALM1或ALM2中选择其一
当控制环断线报警被选定时,另一报警不能被设定为LBA
通讯功能(SCI)
接口标准:
EIA RS-485
通讯协定:
ANSI X3.28(1976)2.5A4
通讯方法:
2线 半双向多站联接
同步方法:
起始/停止同步
通讯速度:
2400.4800.9600.19200BPS
起始位数:
数据数位:
7或8
断电影响:
断电20ms或以下无影响
断电20ms以下,返回初始状态
断电的数据保护:
不消失性记忆素子支持数据
周围温度:
0-50oC[32-122F]
周围湿度:
45-85%RH
安装:
嵌入盘面安装
重量:
170g。
(3)气动阀
ZMAN型双座气动薄膜调节阀
双座气动薄膜调节阀具有额定流量系数大,不平衡力小等优点,因而被广泛使用。
产品型号:
ZMAP、ZMAN
公称口径:
DN25~300(mm)
公称压力:
PN1.6~6.3(MPa)
环境温度:
-30~60℃
气源最大压力:
0.25(MPa)
产品性能参数:
ZMAP型单座气动薄膜调节阀、ZMAN型双座气动薄膜调节阀主要性能参数
表3
DN/mm
PN
环境温度/℃
固有流量特性
气源最大压力/MPa
25~300
16,40,63
-30~60
直线、等百分比
0.25
DN
mm
流通能力C
行程mm
配用执行
器型号
灰铸铁阀
铸钢和铸不锈钢阀
单座
双座
工作压力
Mpa
介质温度
工作压力Mpa
介质温度℃
25
ZMA-2
≤200
≤250
63
(普通上阀盖)
ZMA-3
≤450
50
(带散热片上阀盖)
65
ZMA-4
80
100
120
160
125
200
250
60
ZMA-5
150
280
400
450
630
1000
ZMA-6
300
1600
(4)电气转换器
珠海赛斯特仪表设备有限公司
ST-500电气转换器
ST-500系列电/气转换器可以实现从4-20mA输入信号到0-100%供气压力输出的比例转换,而不必更换转换器。
该系列装置可以实现工业控制中,控制系统与气动执行器之间的界面连接。
具有适用性强,最优化动态特点,可以改善控制系统的工作性能。
该系列是低能量消耗、可连接标准二线制电路的电/气转换器。
无需额外电源、设计简洁、高效。
主要特点:
●内置PI调节功能,大大提高了转换器的转换精度和高度的灵活性能
●通过采用硅压力传感器获得反馈,实现对电输入信号的精确转换
●简洁的模块化设计
●采用稳压器,消除供气压力波动干扰
●创新性的、精确可靠的传感器技术(压力微型控制阀)
●输入信号:
4-20mA
●可以分程式控制:
从4mA或12mA起始
●抗振动能力强
●二线制接线方式,输入和供电合一
●模块化设计,易于维护
工作原理图10
ST-500电气转换器,它主要由三部分组成:
1.电子控制模块
2.压电阀及气动功率放大器
3.精确的反馈压力传感器
完整的控制电路是由一个二线制的4-20mA的控制信号供电。
模拟4-20mA控制信号传输到电子控制单元,在此与转换的输出压力进行比较。
电子控制单元中的控制运算法则开始执行控制计算,生成的控制指令被传输到压电阀,进而驱动气动放大器。
气动放大器的输出压力经过测量后,反馈到内部控制电路。
这种控制方式更迅速,控制更精确。
当测得压力与控制信号相等时,压电阀的输出值不再变化,气动放大器的输出稳定在相应的压力。
3.3参数整定计算
1、副回路整定:
将主调节器置于纯比例环节下
=1,副调器
,逐步调整Kp2和TD2对,使输出衰减比为4:
1时,TS=1689-678=1011s。
由表得
=0.8/3.5,TD=0.1TS。
表4
2、主回路整定:
将副调节器
=2.8,
=100,主回路加入PID,逐步调节
、
的值,使输出符合要求,记下此时的
最后仿真结果如图,由图9得此时的超调:
=22%。
图11
.4控制系统MATLAB仿真
最终确定的系统为串级控制系统,简单的单回路控制系统如图10:
图12
通过仿真结果可以更好的比较串级与单回路的优劣。
图13给定扰动比较
图14一次扰动比较
图15二次扰动比较
图16信号跟踪
3.5仿真结果分析
通过仿真结果可以看到,串级控制系统可以跟好的实现工程要求,有效克服扰动,很好的实现了系统的稳定性。
由于主副回路相互配合,使控制质量显著提高。
与单回路控制系统相比,串级控制系统多用了一个测量变送器与一个控制器(调节器),增加的投资并不多(对计算机控制系统来说,仅增加了一个测量变送器),但控制效果却有显著的提高。
其原因是在串级控制系统中增加了一个包含二次扰动的副回路,使系统改善了被控过程的动态特性,提高了系统的工作频率;
对二次扰动有很强的克服能力;
提高了对一次扰动的克服能力和对回路参数变化的自适应能力。
综上所述,本设计选择串级控制系统。
四:
设计总结
通过本次课程设计可以使我们更好的掌握课本知识,通过查阅资料,对工程设计业能够有一定的了解。
我们可以了解到工程上许多东西具有一定的实际要求,我们只有书本知识与实际结合才能更好的实现自己的设计目标。